Beginn: 11.08.2016
Labornetzteil
Eines der wichtigsten Geräte auf jedem Elektronikarbeitsplatz ist die Spannungsversorgung.
Je sensibler die zu versorgenden Schaltungen auf Störungen der Eingangsspannung reagieren,
desto hochwertiger muss die Spannungsversorgung sein.
Anfangs versorgte ich meine Schaltungen
über Steckernetzteile in Kombination mit kleinen Linearregler ICs (78XX, LM317, ...).
Das funktioniert meist sehr gut, doch in manchen Fällen reichen die Regeleigenschaften dieser
ICs nicht aus oder man benötigt mehrere Potentialfreie Spannungsquellen. Eine Strombegrenzung
ist auch oft vorteilhaft. Da meine Schaltungen immer komplexer, sensibler und teurer werden,
brauche ich eine Spannungsversorgung, welche ich problemlos ohne große Bedenken einsetzen kann.
Im Folgenden werde ich die Entwicklung einer für meine Zwecke geeigneten Spannungsversorgung
beschreiben.
Einführung
Ein Netzteil kann nie allen Anforderungen genügen. Aus diesem Grund gibt es diverse Netzteile
für verschiedene Einsatzzwecke mit verschiedenen Anforderungen an die Schaltung und Bauelemente.
Bevor die Schaltung entworfen werden kann, müssen die grundsätzlichen Anforderungen geklärt werden.
Das Netzteil soll zwei Kanäle mit möglichst schnellen Regeleigenschaften haben, um den Betrieb von schnell
schaltenden Leistungsstufen bei konstanter Spannung zu ermöglichen. Die Ausgangskapazität soll
so klein wie möglich gehalten werden, um Schaltungen im Fehlerfall nicht zu zerstören.
Die maximalen Ausgangsspannungen und -ströme sollen nicht zu hoch angesetzt sein, um die
Verlustleistung im Kurzschlussfall so gering zu halten, dass eine passive Kühlung für den
Dauerbetrieb ausreicht.
Insgesamt ergeben sich folgende angestrebte Maximalwerte:
| Parameter | Wert |
| Ausgangsspannung | 15V |
| Ausgangsstrom | 1A |
| Ausgangskapazität | 100nF |
Regelteil
Überblick
Der wichtigste Teil des Netzteils ist der Regelteil. Hier findet die Ausregelung von Spannung und Strom statt. Dieses Modul kann mit den vorher festgelegten Anforderungen dimensioniert werden, während andere Module nur mit Kenntnissen über den Regelteil sinnvoll dimensioniert werden können. Die Regelung wird auf der positiven Ausgangsspannung schwebend realisiert. Das heißt, dass die positive Ausgangsspannung als Bezugsmasse für den Regelteil verwendet wird. Im Blockschaltbild sieht der Regelteil folgendermaßen aus:
Hier ist zu sehen, dass die Strom- und Spannungsregelung quasi parallel ablaufen, jedoch von beiden nur der kleinere Ausgangswert eingestellt wird. Dadurch wird gewährleistet, dass beim Übertreten einer der eingestellten Grenzen sofort die andere Regelung übernehmen kann. Da das Bezugspotential direkt nach dem Strommesswiderstand liegt, kann die Spannung über ihm für die Strommessung einfach ermittelt werden. Die Spannungsregelung misst die negative Versorgungsspannung bezogen auf die Ausgangsspannung. Eine derartige Verschiebung des Bezugspotentials ermöglicht eine Regelung ohne die Verwendung von mehreren Differenzverstärkern in der Rückkopplung.
Realisierung
Das Übertragen des Blockschaltbildes in die Realität erfordert ein paar Tricks, da zum Beispiel nicht ohne weiteres der Minimalwert zweier Verstärkerausgänge bestimmt werden kann. Hierfür werden Dioden (D2, D3) genutzt, um die Verstärkerausgänge in Stromsenken zu wandeln, welche von einer externen Stromquelle getrieben werden. Dadurch fließt der Strom immer in den Verstärkerausgang mit der kleinsten Spannung.
Um eine schnelle und stabile Regelung zu erhalten werden Verstärker mit hoher Bandbreite benötigt. Die Verwendung von Operationsverstärkern ermöglicht sowohl die Verstärkung als auch die Summation mit annehmbar hoher Bandbreite und Flankensteilheit. Es werden also schnelle Operationsverstärker benötigt. Hier wurde der NE5532 als Verstärker mit gutem Preis/Leistungs Verhältnis gewählt.
Um für alle Arten von Lasten eine möglichst stabile Regelung zu erreichen und die Ausregelzeiten sowie das Überschwingen bei Lastsprung gering zu halten, muss die Phasenreserve an der Durchtrittsfrequenz des offenen Regelkreises möglichst groß sein (siehe Stabilitätskriterium nach Nyquist). Um dies zu gewährleisten wird ein Tiefpass (R5, C1 und R7, C2) in die Rückkopplung eingebracht, um die Phasenreserve und die Kleinsignalbandbreite zu erhöhen. Die optimalen Werte wurden in der Simulation bestimmt. Eine rechnerische Bestimmung wäre ebenfalls möglich. Dafür wären allerdings mehr Informationen über die verwendeten Bauteile nötig.
Zusätzlich zu den oben bereits angesprochenen Dingen wurde noch ein Überstromschutz mit festem Wert (Q4, R3, R4), eine Stromsenke (Q5, Q6, R10, R11), die Dioden D1, D4, D5 und die Ausgangskapazität C3 verbaut. Der fest eingestellte Überstromschutz dient dem Schutz des Ausgangstransistors und der Spannungsversorgung, indem er den Ausgangsstrom unabhängig von den Reglern auf 1,2A bis 1,4A begrenzt. Die Stromsenke stellt einen Leerlaufstrom zur Verfügung, der das Hochlaufen der Leerlaufausgangsspannung nahe null Volt durch den Leckstrom des Leistungstransistors verhindert. Weiterhin ist dieser auch im Betrieb von Nutzen, da angeschlossene Kapazitäten so mit dem Netzteil langsam entladen werden können, bevor sie getrennt werden. Die zusätzlichen Dioden erfüllen Schutzfunktionen, indem sie negative (D5) bzw. zu hohe (D4) Spannungen vom Ausgang ableiten und einen Rückstrom durch den Leistungstransistor verhindern (D1).
Simulation
Die Schaltung wurde in LTspice mit den Bauelementedaten der jeweiligen Hersteller simuliert. Neben einer Funktionsprüfung wurden auch Messungen an den offenen Regelschleifen durchgeführt um die idealen Kompensationskapazitäten zu bestimmen. Die Simulationsdateien können hier heruntergeladen werden.
Im Folgenden sind die Messdaten der offenen Regelkreise ohne sowie mit der gewählten Kompensationskapazität abgebildet.
Am Diagramm wird ersichtlich, dass der Kompensationstiefpass einige Vorteile mit sich bringt. Die Kleinsignalbandbreite wird um nahezu zwei Dekaden erhöht, während die Phasenreserve an der jeweiligen Durchtrittsfrequenz von rund 20 Grad auf rund 60 Grad erhöht wurde.
In der Stromregelung bringt die Kompensation nicht nur Vorteile. Es ist deutlich zu sehen, dass die Regelung auch ohne die Kompensation eindeutig stabil ist. Ohne die Kompensation ist die Phasenreserve mit mehr als 90 Grad sogar noch größer als mit Kompensation von ca. 60 Grad. Der Einzige Vorteil ist hier die Erhöhung der Kleinsignalbandbreite um zwei Dekaden. Zugunsten der höheren Bandbreite wurde in diesem Fall die Kompensation eingebaut.
Aufbau
Die Schaltung wurde auf einer Doppellayer-Platine aufgebaut, wodurch Leistungs- und Regelteil einigermaßen räumlich getrennt werden konnten. Dadurch konnte die Störung der Regler durch hohe geschaltene Ströme minimiert werden. Das Layout kann den Dateien im Downloadbereich entnommen werden. Fertig bestückt sieht die Baugruppe wie Folgt aus. Der Leistungstransistor muss zum Abführen der Verlustleistung im Betrieb an einem Kühlkörper angebracht werden.
Anzeigen
Als Anzeigeelemente für Spannung und Strom werden 7-Segment LED Anzeigen verwendet. Angesteuert werden diese von eimen ATmega8A Mikrocontroller von Atmel, welcher auch die Messwertaufnahme und Datenverarbeitung übernimmt. Dadurch können systematische Messabweichungen vor der Anzeige direkt im Mikrocontroller korrigiert werden.
Messwertaufnahme
Angestrebt wird eine Anzeigeauflösung von vier Zeichen, was 10mV in der Spannungsmessung und 1mA in der Strommessung entspricht. Vor der Messung wird die Spannung in einem Verhältnis 1:11 geteilt, wodurch eine Änderung um 10mV am Messeingang eine Änderung von rund 0.91mV hervorruft. Die Strommessung erfolgt über einem Messwiderstand von einem Ohm, wodurch 1mA Änderung einer Spannungsänderung von 1mV entspricht. Für eine derartig genaue Messung wird bei 2.56V Referenzspannung ein ADC mit folgender Bitzahl benötigt wird: $$ \Delta U=\frac{U_{Ref}}{2^{N_{bit}}-1} \\ N_{bit}=ld(\frac{U_{Ref}}{\Delta U}+1)=ld(\frac{2.56V}{0.91mV}+1)=11,46\approx 12 $$ Da der eingebaute ADC des Mikrocontrollers nur eine Auflösung von 10 Bit hat, wovon ein Bit als Rauschen angenommen werden kann, müssen Messwerte gemittelt werden. Für die restlichen mindestens 3 Bit müssen \(2^3=8\) Werte aufgenommen werden. Aufgrund der kurzen Wandlungsdauer des ADC und der als zeitlich stabil angenommenen Signale ist dies Problemlos möglich. Um eine geringere Messunsicherheit zu gewähleisten können auch noch mehr Messwerte (bis zu insgesamt 18 Bit) aufgenommen werden, ohne dass eine Trägheit der Anzeige wahrgenommen wird.
Ansteuerung der Anzeigeelemente
Die Anzeigeelemente besitzen vier 7-Segment Zeichen mit je einem zugehörigen Punkt als Trennzeichen, welche intern für einen Multiplexingbetrieb verschalten sind. Das heißt, als Anschlüsse von außen sind nur die Anoden der jeweils vier gleichen Segmente der Zeichen zusammengefasst und je Zeichen eine gemeinsame Kathode. Das ergibt insgesamt zwölf Anschlüsse. Im Multiplexbetrieb ist zu jedem Zeitpunkt nur ein Zeichen aktiv, wird aber so schnell gewechselt, dass es für das menschliche Auge so aussieht, als ob alle Zeichen gleichmäßig eingeschaltet wären. Dadurch können mit diesen zwölf anschlüssen in der Gesamtheit 32 LEDs (= Segmente) quasi unabhängig voneinander angesteuert werden. Mit weiteren vier Anschlüssen für die anderen vier Zeichen kann sogar die doppelte Anzahl an Segmenten angesteuert werden.
Um im Multiplexbetrieb die gleiche Helligkeit zu erreichen, wie im normalen Betrieb, muss der kurzzeitig fließende Strom im zeitlichen Mittel über eine Periode gleich groß sein. Demzufolge fließt aus den gemeinsamen Kathodenanschluss der Gesamtstrom der eingeschalteten Segmente, der auch im normalen Ansteuerungsfall fließen würde.
Die acht Transistoren Q201 bis Q208 in Kollektorschaltung halten die Spannung über den Segmenten im eingeschalteten Zustand annähernd konstant, um ein Flackern durch Spannungsripples auf der Versorgungsspannung zu verhindern. Der IC U201 ist ein Darlington Transistor Array (ULN2803), also acht Darlington Transistoren mit gemeinsamem Emitter in Emitterschaltung und eingebautem Basiswiderstand. Es wird verwendet, um den Strom für die Zeichen zu schalten. Die DIGx und SEGx Anschlüsse werden vom Mikrocontroller mit dessen 5V Logikausgängen geschaltet. Die 68 Ohm Widerstände begrenzen den Strom durch die Segmente: $$ I_{Seg}=\frac{U_{SEGx}-U_{BE,BCX56}-U_{F,Seg}-U_{CE,ULN2803}}{R}=\frac{5V-2V-0,7V-1V}{68\Omega}=19mA $$ Damit ergibt sich ein Strom im zeitlichen Mittel von \(\overline{I_{Seg}}=\frac{I_{Seg}}{N}\approx 2,4mA\), wobei N die Anzahl der Zeichen ist. Obwohl die Anzeigen mit einem Dauerstrom von bis zu 20mA spezifiziert sind, reicht dieser geringe Strom für eine gute lesbarkeit der Anzeigen in heller Umgebung völlig aus.
Spannungsversorgung
Achtung: Die im folgenden vorgestellte Schaltung wird an Netzspannung betrieben. Sie sollte ausschließlich von Personen mit entsprechender Ausbildung und mit entsprechendem Equipment nachgebaut werden. Siehe Haftungsausschluss.
Dimensionierung
Aus dem Aufbau des Regelteils und den gegebenen Anforderungen können nun die Parameter der Spannungsversorgung hergelitten werden.
Durch den Darlington-Leistungstransistor im Regelteil entsteht laut Datenblatt (Collector−Emitter Saturation Voltage) ein Spannungsabfall von rund zwei Volt zum Ausgang. Zusätzlich entsteht am Strommesswiderstand ein Spannungsabfall von maximal einem Volt bei vollem Ausgangsstrom. Insgesamt muss die Spannungsversorgung unter Volllast, also bei einem Ampere Strom, eine Spannung von mehr als 18V liefern. Für die Auswahl des Transformators muss noch eine Siebkapazität festgelegt werden, da diese maßgeblich den Spannungsripple beeinflusst. Für einen konstanten Strom \(I\) gilt:
$$
C\frac{dU(t)}{dt}=I \; \rightarrow \; U=\frac{I*t}{C}
$$
Für einen Spannungsripple von rund zwei Volt bei vollem Ausgangsstrom nach einem Vollbrückengleichrichter benötigt man also eine Kapazität von:
$$
C=\frac{I*t}{\Delta U}=\frac{I}{2*f_U*\Delta U}=\frac{1A}{2*50Hz*2V}=5000\mu F
$$
Gewählt wurde ein Kondensator mit dem Wert 4.700µF, wodurch der Spannungsripple etwas größer als zwei Volt ausfällt. Unter Einbeziehung von rund zwei Volt Verlust im Brückengleichrichter ergibt sich eine minimale Trafospitzenspannung unter Volllast von mehr als 23V, was einem Effektivwert von 16,3VRMS entspricht. Eingebaut wird ein Trafo mit 18VRMS Ausgangsspannung, woraus sich eine gleichgerichtete Spannung im Bereich von 20V bis 23V bei einem Ampere Strom ergibt. Da das Netzteil zwei Kanäle bzw. Ausgänge haben soll wird ein Trafo mit zwei Sekundärwicklungen und einer Leistung von 50VA verwendet.
Für die Ruhestromquelle im Regelteil mit einem Strom von weniger als 10mA wird zusätzlich eine kleine negative Spannung unterhalb des negativen Potentials der gleichgerichteten Spannung benötigt. Diese wird über eine Ladungspumpe zur Verfügung gestellt, welche durch gleichgerichtete Netzspannung, also mit einer Frequenz von 100Hz betrieben wird. Da eine Spannung von -3,3V angestrebt ist, welche über einen Transistor stabilisiert werden soll, muss die Ausgangsspannung der Ladungspumpe immer unterhalb von rund -4V liegen. Unter diesen Annahmen ergeben sich folgende Werte für die Kapazitäten:
$$
C=\frac{I}{f_s*\Delta U}=\frac{0.01A}{100Hz*(-4V-(-20V)}=6,25\mu F
$$
Es werden 22µF Kapazitäten verwendet, wobei 10µF auch ausreichend wären.
Zusätzlich zur leistungsstarken Spannungsversorgung werden noch die galvanisch getrennten, möglichst stabilen ±5V der Regler und die ungeregelte Spannung bis zu 9V für die Anzeigen benötigt. Da die Anzeigen das gleiche Massepotential wie die Regler nutzen, können all diese Spannungen von einem weiteren Trafo zur Verfügung gestellt werden. Dessen Ausgang wird Einweggleichgerichtet, um positive und negative Spannung zu erhalten, und anschließend über Linearregler ICs stabilisiert. Da die positive Spannung unstabilisiert auch die LEDs der Anzeigen versorgt, können hier bis zu 150mA fließen (2,5mA pro Segment * 7 Segmente * 8 Zeichen + Rest). Die minimale Eingangsspannung der 5V Linearregler vom Typ 78L05 beträgt 7V. Ein 6VRMS Trafo hat eine Spitzenspannung von 8.4V. Die Siebkapazität für den maximal möglichen Spannungsripple ergibt sich somit zu:
$$
C=\frac{I}{f_U*\Delta U}=\frac{0.15A}{50Hz*(8.4V-7V)}=2143\mu F
$$
Anmerkung: In der Annahme, dass nie alle Segmente gleichzeitig angeschaltet sind, wurden hier 1000µF Kondensatoren eingesetzt. Im Nachhinein betrachtet wäre es sinnvoller gewesen, einen Trafo höherer Spannung zu verwenden (z.B. 9VRMS), um weiter von den kritischen Grenzen weg zu kommen und einen kleineren Kondensator verwenden zu können. Andererseits könnten auch die Anzeigen von einer extra Spannungsquelle versorgt werden.
Die Siebkapazität für die negative Spannung ist eher unkritisch, da hier nur ein sehr kleiner Strom fließt.Realisierung
Die Spannungsversorgung ist größtenteils trivial aufgebaut und besteht aus Gleichrichtern, Siebelkos, Linearregler-ICs und den Ladungspumpen zur erzeugung der negativen Hilfsspannung. Die Ladungspumpe nutzt als Taktsignal die Gleichgerichtete Netzspannung, welche über einen Transistorschalter zu einem Rechteck mit annähernd 50% Tastverhältnis und einer Frequenz von 100Hz gewandelt wird. Die Schaltpläne können aus den Downlaods eingesehen werden.
Schutzschaltungen
Anforderungen
Durch verschiedene Einflüsse, wie Siebkapazitäten, Trafogrößen, etc., läuft die Regelung nicht sofort beim Einschalten an. Auch beim Ausschalten wird die Regelung schneller abgeschalten als die Netzteilversorgung. Das führt dazu, dass beim Ein- und Ausschalten Spannungs- und damit verbundene Stromspitzen auftreten. Damit Schaltungen nicht abgesteckt werden müssen und auch nicht zerstört werden, wird eine Schutzschaltung eingebaut. Diese soll folgende Funktionen erfüllen:
- Zu- und Abschaltung der Ausgänge per Tastendruck
- Abschaltung der Ausgänge bei Netzspannungsverlust
Schaltung
Der Taster wird mit einem Tiefpass und Schmitt-Trigger entprellt. Mit dem Rechtecksignal wird ein, als toggle Flip Flop beschaltener, bistabiler Multivibrator angesteuert. Folglich wird bei jedem Tastendruck der Zustand des Flip Flop umgeschalten.
Messungen
Fazit
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